(57)【要約】【課題】  光学部品や金型等の被測定物の位置情報を超高精度に得る三次元形状測定装置において、基準板へ溝や窪みを形成することなく、平面精度を向上でき、また基準板装着後の平行度調整が容易にできる基準支持構造を提供する。【解決手段】  基準板１と金属球３の間に、球側では逆円錐形状の切欠部で接し、基準板側では平面で接する中間支持部材２を介在させることで、基準板１への溝や窪みの形成を無くし、平面精度を向上できるようにした。また、円錐形状の切欠部５を有する上下調整ボルト８を保持台４に着脱可能な基準板支持部材６内に取付けることで、金属球３と中間支持部材２を同時に上下調整し、基準板装着後の平行度調整を容易に行えるようにした。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物を固定する測定台と、測定台上にＸ軸方向又はＸ−Ｙ軸方向に水平移動するステージと、ステージにＸ軸方向又はＸ−Ｙ軸方向に垂直なＺ軸方向に上下移動するＺ軸移動体と、Ｚ軸移動体に被測定物の表面に沿って接触させながら移動する接触子と、ステージに平行な反射面を有する基準板と、基準板を保持する保持台とを備え、基準板と接触子の位置を測定することにより被測定物の表面形状を測定する三次元形状測定装置において、保持台の中心回りの周方向に略３等分する位置に円錐形状の切欠部を設け、切欠部に金属球を介して基準板を載置し、金属球と基準板間に球側に逆円錐形状の切欠部と基準板側に平面で接する中間支持部材を介存させたことを特徴とする三次元形状測定装置の基準板支持構造。
【請求項２】
保持台の切欠部の内少なくとも２箇所の切欠部は、保持台に対して着脱可能な基準板支持部材にて構成したことを特徴とする請求項１記載の三次元形状測定装置の基準板支持構造。
【請求項３】
保持台の切欠部の内少なくとも２箇所の切欠部は、保持台に対して上下移動可能な基準板支持部材にて構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の三次元形状測定装置の基準板支持構造。
【請求項４】
被測定物を固定する測定台と、測定台上にＸ軸方向又はＸ−Ｙ軸方向に水平移動するステージと、ステージにＸ軸方向又はＸ−Ｙ軸方向に垂直なＺ軸方向に上下移動するＺ軸移動体と、Ｚ軸移動体に被測定物の表面に沿って接触させながら移動する接触子と、ステージに平行な反射面を有する基準板と、基準板を保持する保持台とを備え、基準板と接触子の位置を測定することにより被測定物の表面形状を測定する三次元形状測定装置において、保持台の中心回りの周方向に略３等分する位置に円錐形状の切欠部を設け、切欠部に金属球を介して基準板を載置するとともに、保持台の切欠部の内少なくとも２箇所の切欠部は保持台に対して着脱可能な基準板支持部材にて構成したことを特徴とする三次元形状測定装置の基準板支持構造。
【請求項５】
被測定物を固定する測定台と、測定台上にＸ軸方向又はＸ−Ｙ軸方向に水平移動するステージと、ステージにＸ軸方向又はＸ−Ｙ軸方向に垂直なＺ軸方向に上下移動するＺ軸移動体と、Ｚ軸移動体に被測定物の表面に沿って接触させながら移動する接触子と、ステージに平行な反射面を有する基準板と、基準板を保持する保持台とを備え、基準板と接触子の位置を測定することにより被測定物の表面形状を測定する三次元形状測定装置において、保持台の中心回りの周方向に略３等分する位置に円錐形状の切欠部を設け、切欠部に金属球を介して基準板を載置するとともに、保持台の切欠部の内少なくとも２箇所の切欠部は保持台に対して上下移動可能な基準板支持部材にて構成したことを特徴とする三次元形状測定装置の基準板支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部品や金型等の被測定物の位置情報を超高精度に得る三次元形状測定装置における基準板支持構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学部品や金型などの非球面物体の表面形状を高精度に測定する方法として、３次元形状測定装置の利用が広く知られている。
【０００３】
一般に接触式のプローブを有する三次元形状測定装置は、プローブを被測定物に接触させ、両者間にほぼ一定の力が作用するようにプローブ位置を制御した状態で、プローブを被測定物の表面に沿って移動させ、プローブと基準面の位置関係から被測定物の表面形状を測定するものである。このような測定装置のひとつとして、レーザ測長器と基準平面ミラーを利用した三次元形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
従来の三次元形状測定装置について、図５〜図８を参照して説明する。図５は、従来の三次元形状測定装置の概略構成図である。図５において、石定盤１２上に設置されたレンズ等の被測定物１３の測定面１３a に、移動体１４の前面に取り付けられたＺ軸移動体１５に装着されたプローブ１６の先端を追従させ、被測定物１３の表面形状を測定するように構成されている。
【０００５】
詳細には、被測定物１３が搭載されている石定盤１２には、支持部を介してＸ参照ミラー１７、Ｙ参照ミラー１８、及び本発明における基準板であるＺ参照ミラー１が配置されている。なお、Ｚ参照ミラー１は図６のごとく石定盤１２上に建てられた２本の石柱２１上に架設された鋳鉄製の梁２２の中央部に設置されている。以下、このＺ参照ミラー１を基準板と称することがある。
【０００６】
基準板１の梁２２による支持構造の詳細を、図７、図８に示す。基準板１は、図８に示すように、ガラス材質等で形成される本体１ａと、アルミの真空蒸着で形成された反射面１ｂと、反射面を保護する保護膜１ｃとで構成されている。梁２２の中央部には、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、基準板１を保持する円筒形の保持台４が設けられている。保持台４には、中心回りに周方向に略３等分する１２０°間隔の位置に円錐形状の切欠部５が設けられ、各切欠部５に金属球３が配置され、これら金属球３の上に基準板１を載置することで支持されている。
【０００７】
なお、Ｚ軸移動体１５およびプローブ１６を装着した移動体１４は、ＸＹテーブル１９上に固定されており、被測定物１３の測定面１３a の表面形状に追従してＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動体１４とＺ軸移動体１５およびプローブ１６を走査する構成となっている。
【０００８】
さらに、移動体１４にはレーザ測長光学系２０が設けられており、光干渉法によりＸ参照ミラー１７を基準としたプローブ１６のＸ座標、Ｙ参照ミラー１８を基準としたプローブ１６のＹ座標、基準板１の反射面１b を基準としたプローブ１６のＺ座標をそれぞれ測長することができるように構成されており、被測定物１３の表面形状を測定し、位置情報を得ていた。
【０００９】
また、基準板１を支持する別の方法として、正三角形の各頂点に配置されるように、互いに等間隔に設定された３ヶ所にボールを配置し、また基準面及び支持部材には、ボールが接触する部分にボールの球面と点接触するように溝を形成し、支持部材と基準板とを３点で支持することで、支持部材に対して基準板がガタつくことを防止したものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１０】
また、特許文献２と同様に、基準鏡フレームの支持方法として、３本の柱を設けてこれらの柱にて基準鏡フレームの３ヶ所の支持点を支持するように構成し、第１の支持点は第１の柱と基準鏡フレームの両方に略円錐形状の窪みを設けて球を挟み、第２の支持点は第２の柱と基準鏡フレームの両方に、Ｙ軸に沿う方向に稜線の方向を一致させた略三角柱形状の窪みを設けて球を挟み、第３の支持点は第３の柱と基準鏡フレームの平面間に球を挟んだものも知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開平４−２９９２０６号公報
【特許文献２】特開平１０−１７０２４３号公報
【特許文献３】特開平１０−１９５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、上記従来の基準板の支持構造では、基準板あるいは基準鏡フレームに溝や略円錐形状の窪みや略三角柱形状の窪みを形成しなければならず、表面形状を高精度に測定するには平面度精度を高くすることと相反する結果になるという問題があった。例えば、測定面を５０ナノメートルの精度まで測定しようとすれば、基準板の平面度精度を５０ナノメートル以下にする必要があり、溝や窪みを形成すると平面度精度はきわめて悪くなるという問題がある。
【００１２】
また、基準板と金属球間の点接触部では、基準板と基準板を保持する保持台の熱膨張係数が異なるため、温度変化による磨耗が生じ、基準板の保護膜が削れ、ステージとの平行度精度を維持することができないという問題があった。
【００１３】
被測定物の直径が、Ｘ−Ｙ軸方向に±２００ｍｍまで測定できる三次元形状測定装置を例にとって説明する。このような装置では、基準板の直径がφ６３５ｍｍで、基準板を３点で支持している保持台の直径がφ５４０ｍｍの構成をもつ、基準板と金属球が点接触している状態で、室内温度が２℃上昇すると、鋳物でできている保持台は直径がφ５４０ｍｍなので熱膨張により一方向へ最大１１．３μｍ延びる。一方、基準板は熱膨張係数がほぼ０に近いガラス材質のものを使用していることが多く、±１℃の温調している空間に設置しているだけで最大１１．３μｍ、金属球で基準板を削っていることになる。頻度の面で考えると約１０畳の室内で温調の１サイクルの回数が１時間３回とすると、１日で７２回、年間では休暇中の温調停止日数（２０日）を考慮しても２４８４０回も磨耗を起こしていることになる。また、基準板は高平面度精度を必要とするため歪を生じさせないだけの厚みが必要となるので、基準板はきわめて重くなり、このような装置の基準板では３７ｋｇの重量になる。この基準板を３点支持により保持しているので、各３点への重量は３等分された約１２ｋｇの荷重が集中して加わることになる。さらに基準板は、ガラス材質等で形成される本体、アルミの真空蒸着で形成される反射面、反射面を保護する保護膜で形成されているので、基準板表面の硬度、もろさは金属球と比較し、きわめて劣っている。この状態で３点支持への圧力が均等に掛かることは考えにくく、３点支持の各点で荷重のバラツキや、熱膨張による延びのバラツキから、磨耗量のバラツクも発生し基準板は任意の方向へ傾き、ステージとの平行度精度を維持することができなくなる。この傾きにより、ステージ移動範囲内において、基準板、Ｚ軸移動体との絶対量の変化、またレーザ光軸往復光路に角度が発生ることで光軸がずれてしまい、結果として測定値の誤差になってしまうという問題がある。
【００１４】
また、基準板を測定装置に装着した後に、測定台上のステージとの平行度を精度良く調整する必要があるが、従来の方法では、基準板を保持台から一度取外し、直径の異なった金属球と交換し、再び基準板を金属球を介した保持台上に装着するなどの方法で調整を行う必要があり、調整に手間がかかるという問題がある。
【００１５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、基準板に溝や窪みを形成することなく基準板を測定装置に装着することができ、また温度変化による磨耗の欠点を無くすことができ、また基準板を測定装置に装着した後に、容易に平行度を調整できる三次元形状測定装置の基準板支持構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の請求項１記載の三次元形状測定装置の基準板支持構造は、被測定物を固定する測定台と、測定台上にＸ軸方向又はＸ−Ｙ軸方向に水平移動するステージと、ステージにＸ軸方向又はＸ−Ｙ軸方向に垂直なＺ軸方向に上下移動するＺ軸移動体と、Ｚ軸移動体に被測定物の表面に沿って接触させながら移動する接触子と、ステージに平行な反射面を有する基準板と、基準板を保持する保持台とを備え、基準板と接触子の位置を測定することにより被測定物の表面形状を測定する三次元形状測定装置において、保持台の略３等分する位置に円錐形状の切欠部を設け、切欠部に金属球を介して基準板を載置し、金属球と基準板間に球側に逆円錐形状の切欠部と基準板側に平面で接する中間支持部材を介存させたものである。
【００１７】
この構成によると、金属球と基準板の間に、球側では逆円錐形状の切欠部に接し、基準板側では平面で接する中間支持部材を介存させたことで、高平面度精度のある基準板に溝や窪みを形成することなく装置へ装着することができる。また、基準板側では平面で接触しているため、保護膜への圧力が分散し磨耗が低減するので、ステージとの平行度精度を維持することができる。また、磨耗の低減により保護膜の硬度が低硬度のものでも使用可能となり、平面度精度に対して歪からの影響が少ない基準板を使用することができる。
【００１８】
また、本発明の請求項２及び４記載の三次元形状測定装置の基準板支持構造は、保持台の中心回りの周方向に略３等分する位置に円錐形状の切欠部を設け、切欠部に金属球を介して基準板を載置するとともに、保持台の切欠部の内少なくとも２箇所の切欠部は保持台に対して着脱可能な基準板支持部材にて構成したものである。
【００１９】
この構成によると、基準板支持部材を調整することで基準板を取外すことなく測定台上のステージと容易に平行度を調整することができる。
【００２０】
また、本発明の請求項３及び５記載の三次元形状測定装置の基準板支持構造は、保持台の中心回りの周方向に略３等分する位置に円錐形状の切欠部を設け、切欠部に金属球を介して基準板を載置するとともに、保持台の切欠部の内少なくとも２箇所の切欠部は保持台に対して上下移動可能な基準板支持部材にて構成したものである。
【００２１】
この構成によると、基準板を取外すことなく測定台上のステージと容易に平行度を調整することができる。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１記載の発明によれば、基準板側に平面で接する中間支持部材を介存させる構成としたことで、高平面度精度のある基準板に溝や窪みを形成することなく装置へ装着することができ、また基準板側では平面で接触しているため、保護膜への圧力が分散し磨耗が低減するので、ステージとの平行度精度を維持することができ、また磨耗の低減により保護膜の硬度が低硬度のものでも使用可能となり、平面度精度に対して歪からの影響が少ない基準板を使用することができる。
【００２３】
請求項２及び４記載の発明によれば、保持台の切欠部の内少なくとも２箇所の切欠部は保持台に対して着脱可能な基準板支持部材にて構成したことで、基準板を取外すことなく、金属球の交換か部材の研磨をし再び基準板支持部を基準板の下側へ取付けることで基準板とステージとの平行度精度調整が容易になる。
【００２４】
請求項３及び５記載の発明によれば、保持台の切欠部の内少なくとも２箇所の切欠部は保持台に対して上下移動可能な基準板支持部材にて構成したことで、基準板の取外し、金属球の交換、部材の研磨をすること無く、基準板とステージとの平行度精度調整が容易にでき、かつ調整精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の三次元形状測定装置の基準板支持構造の各実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。なお、三次元形状測定装置の全体構成は、図５〜図７を参照して説明した従来例と同一であり、同一の構成要素については同一参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態における基準板支持構造を示す。図１において、従来例と異なる点は、基準板１と金属球３の間に球側では逆円錐形状の切欠部で接し、基準板１側では平面で接する中間支持部材２を介在させた点にある。
【００２７】
本実施形態では、中間支持部材２を介在させたことにより、高精度の平面度に仕上げられた基準板１の本体１ａと反射面１ｂまたは保護膜１ｃに溝や窪みを形成することなく装置へ装着することができる。また、保護膜１ｃに対して中間支持部材２が平面で接触しているため、保護膜１ｃへの圧力が分散し磨耗が低減するので、高精度の平面度を維持することができる。また磨耗が低減することから、保護膜１ｃで高硬度の保護膜（ＳｉＯ2 ）を蒸着せずに低硬度の保護膜（ＳｉＯ）でも磨耗に対して十分な耐磨耗を得ることができる。ＳｉＯ2 とＳｉＯでは、膜形成時の真空蒸着温度において大きな異なる点があり、ＳｉＯ2 での真空蒸着高温が３００℃に対し、ＳｉＯでの真空蒸着高温が８０℃である。この結果、高温度蒸着のＳｉＯ2 から、低温度蒸着のＳｉＯにすることで歪による平面精度への影響が低減し、基準板１の平面精度を向上することができる。
【００２８】
なお、本実施形態においては、中間支持部材２に形成する切欠部として、鋭角な先端を持つ逆円錐形状の切欠部でなく、先端が球面を帯びた鈍角状態の逆円錐形状の切欠部でも同じ効果を得ることができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図２を参照して説明する。図２は、本実施形態における基準板支持機構を示す。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と同一の構成要素については、同一参照符号を付して説明を省略する。
【００３０】
図２において、第１の実施形態と異なる点は、円錐形状の切欠部５を有する基準板支持部材６の内の少なくとも２つについては、金属球３と中間支持部材２を基準板支持部材６とともに同時に保持台４に対して着脱可能とした点にある。
【００３１】
この支持構造により、基準板１と石定盤（測定台）１２上の移動体（ステージ）１４との平行度の精度調整の際は、基準板１を保持台４から取外すことなく、基準板１と保持台４の間に隙間ゲージを挿入し、基準板１の傾き防止を行った状態で、円錐形状の切欠部５を有する基準板支持部材６と金属球３と中間支持部材２を同時に保持台４から着脱し、直径の異なった金属球３の交換か、あるいは中間支持部材２の研磨といった上下調整に関する項目選択と作業を行い、再び中間支持部材２と、金属球３と、円錐形状の切欠部５を有する基準板支持部材６を保持台４の下側へ取付ボルト７により取付け、隙間ゲージを取外す、といった基準板１と石定盤（測定台）１２上の移動体（ステージ）１４との平行度精度調整作業を容易に行うことができる。なお、本実施形態では、中間支持部材２がなくとも同じ効果を得ることができる。
【００３２】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図３を参照して説明する。図３は、本実施形態における基準板支持構造を示す。
【００３３】
図３において、第１の実施形態及び第２の実施形態と異なる点は、３箇所の基準板支持部材６の内、少なくとも箇所については、六角穴付き細目ボルトの上端に円錐形状の切欠部５を形成した上下調整ボルト８が基準板支持部材６内に螺合して取付けられており、金属球３と中間支持部材２を同時に上下調整可能とした点にある。
【００３４】
この支持構造により、基準板１の取外し、隙間ゲージの挿入、基準板支持部材６を含む金属球３と中間支持部材２の保持台４からの同時着脱を行わなくとも、上下調整ボルト８の締め付け又は緩め操作で、金属球３と中間支持部材２を同時に上下調整でき、調整後は細目ナット９の締め付けで基準板１の上下位置を維持することができ、基準板１と石定盤（測定台）１２上の移動体（ステージ）１４との平行度精度調整作業を容易に行うことができる。
【００３５】
なお、本実施形態では、中間支持部材２、円錐形状の切欠部５を有する基準板支持部材６、取付ボルト７が無くとも同じ効果を得ることができる。
【００３６】
また、本実施形態における基準板支持構造は、図４に示すような位置関係で三次元形状測定装置に取付けられている。図４において、本実施形態における基準板支持構造が適用されているＡ部は保持台４の中心回りに周方向の略３等分した位置の中で、開閉ウィンドウ１０と調整者１１に近い２箇所に配設されている。この位置関係により、基準板１と測定台（石定盤）１２上のステージ（移動体）１４との平行度精度調整の際は、調整者１１は開閉ウィンドウ１０を開し、調整者側近くに取付けられているＡ部の２箇所の上下調整ボルト８を上下させて調整を行うことができる。このように開閉ウィンドウ１０と調整者１１に近い２箇所にＡ部を配設していることで、Ａ部の調整代を目視確認しつつ、基準板１の上下位置を三次元形状測定装置のレーザ測長光学系を通してモニタリングしながら調整することができるので、第１の実施形態、第２の実施形態での上下調整と比較し、よりシビアな調整が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の三次元形状測定装置の基準板支持構造は、基準面への接触圧力が分散し磨耗を低減させる効果を有し、光学分野でのメジャーミラー、リファレンスミラー等の基準面の取付け、調整の用途にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態における基準板支持構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態における基準板支持構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態における基準板支持構造を示す断面図である。
【図４】同実施形態における基準板支持構造の三次元形状測定装置での位置関係を示す側断面図である。
【図５】従来例の三次元形状測定装置の概略構成図である。
【図６】同従来例における基準板支持部の概略構成を示す斜視図である。
【図７】同従来例の基準板支持部の詳細構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】図７（ｂ）のＣ部詳細断面図である
【符号の説明】
【００３９】
１  Ｚ参照ミラー（基準板）
１a   本体
１b   反射面
１c   保護膜
２  中間支持部材
３  金属球
４  保持台
５  円錐形状の切欠部
６  基準板支持部材
８  上下調整ボルト（上下移動可能な基準板支持部材）
１２  石定盤（測定台）
１３  被測定物
１４  移動体（ステージ）
１５  Ｚ軸移動体
１６  プローブ（接触子）
【図１】
2006017617.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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